DE1277634B - Nach dem Stirlingprinzip arbeitende Kolbenmaschine - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

!deutsches

PATENTAMT

kUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F 02g

Deutsche Kl.: 46 d-2

Nummer: 1277 634

Aktenzeichen: P 12 77 634.0-13 (N 27908)

Anmeldetag: 18. Januar 1966

Auslegetag: 12. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine nach dem Stirlingprinzip arbeitende Kolbenmaschine, insbesondere Kaltgaskühlmaschine, mit mindestens einem itompressionsraum mit veränderlichem Volumen und mindestens einem Expansionsraum mit ebenfalls veränderlichem Volumen, welche Räume im Betrieb unterschiedliche mittlere Temperaturen aufweisen ijnd paarweise miteinander über jeweils einen oder ifiehrere Regeneratoren in Verbindung stehen, und leren beider Volumen durch in Phasendifferenz zueinander bewegbare, je mit mindestens einer Abdichtung versehene kolbenförmige Körper veränderbar

Eine Schwierigkeit bei dieser Gattung, die als tjEeißgasmotoren, Kaltgaskühlmaschinen oder Wärmepumpen zur Verwendung kommen können, wobei die Heiden letzteren nach dem umgekehrten Heißgasraotorprinzip arbeiten, besteht darin, daß längs der kolbenförmigen Körper stets infolge der über diesen Körpern herrschenden Druckdifferenz eine gewisse Ärbeitsmittelmenge wegleckt.

Das Weglecken von Mittel längs eines Kompressionskolbens zur Umgebung ist an sich kein unüberwindliches Problem. Das Mittel entweicht nahezu mit Umgebungstemperatur aus dem Arbeitsraum, so daß kfcine Kälte bzw. Wärme verlorengeht. Das weggeleckte Mittel kann zu beliebigen Zeitpunkten dadurch wieder nachgefüllt werden, daß der Arbeitsraum mit einem Mittelnachfüllbehälter verbunden wird. Dabei kann das wegleckende Mittel aufgefangen werden, so daß keine Mittelverluste auftreten.

Bedenklicher ist jedoch, daß mit dem Mittel, das lljngs eines der kolbenförmigen Körper aus einem wärmen zu einem kalten Raum, oder umgekehrt, l^ckt, jeweils eine Kälte- oder Wärmemenge verlorengeht, was die Wirkung der Maschine selbstverständlich beeinträchtigt. Weil bei diesen Maschinen stets W/echselnde Drücke und wechselnde Druckdifferenzin auftreten, ergeben sich die erwähnten Kälte- bzw. Wärmeverluste selbst dann, wenn auf beiden Seiten efaes kolbenförmigen Körpers der gleiche mittlere Dhick herrscht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugpnde, diesen Übelstand zu beheben.

Die Lösung für diese Aufgabe besteht bei der eingangs beschriebenen, nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Kolbenmaschine gemäß der Erfindung darin, d|ß wenigstens die auf das Volumen eines Expansiönsraumes einwirkenden kolbenförmigen Körper und/oder der mit jedem dieser Körper zusammenwirkende Teil der Zylinderwand mit zwei Abdichtungen versehen sind und der zwischen diesen Abdichtungen befindliche Ringraum mit einem Raum Nach dem Stirlingprinzip arbeitende
Kolbenmaschine

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Roelf Jan Meijer,

Jacob Willem Laurens Köhler, Eindhoven;

Alphons Peters, Hilversum;

Herman Fokker, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 20. Januar 1965 (65 00 680)

ständig in Verbindung steht, in dem ein Druck herrscht, der eine kleinere Druckdifferenz mit Bezug auf den Druck im Raum auf einer Seite des betreffenden kolbenförmigen Körpers als mit Bezug auf den Druck im Raum auf der anderen Seite des kolbenförmigen Körpers aufweist, und daß das zwischen den beiden Abdichtungen befindliche Mittel im Betrieb eine Temperatur hat, die wenigstens nahezu gleich der Temperatur in demjenigen Raum ist, in dem der Druck herrscht, der die größere Differenz gegenüber dem Druck im Ringraum aufweist.

Auf diese Weise ist erreicht, daß über einer der Abdichtungen nahezu keine Druckdifferenz auftritt, so daß über diese Abdichtung kein Leck auftritt. Über der anderen Abdichtung herrscht zwar eine Druckdifferenz, aber keine Temperaturdifferenz, so daß mit dem etwaigen wegleckenden Mittel keine Kälte bzw. Wärme verlorengeht.

Eine zweckmäßige Ausfuhrungsform einer diese Erfindungsmerkmale aufweisenden Kolbenmaschine ergibt sich dadurch, daß die Abdichtungen auf einem

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aUS einem kolbenförmigen Köxpejr und der mit

ihm zusammenarbeitenden Zylinderwand bestehen den Elemente angebracht sind, während die Verbindung mit dem Ringraum im anderen Element liegt, wobei sich die einander zugewandten Enden der beiden Abdichtungen in einem Abstand voneinander befinden, der mindestens gleich dem Hub des betreffenden kolbenförmigen Körpers ist. Hierdurch bleibt im Betrieb die erwähnte Verbindung stets aufrechterhalten. Die Abdichtungen können hierbei auf dem Teil des betreffenden kolbenförmigen Körpers angebracht sein, in dem in axialer Richtung nahezu kein Temperaturgradient mehr vorhanden ist. Dies bedeutet, daß die Abdichtungen nahezu auf Umgebungs-

K-Olben oder eine Membrane sein fcann, vex-ntfter, cfajs

ein Teil des Arbeitsmittels durch den Kanal zum Ringraum strömt und dort durch den engen Spalt zwischen Expansionskolben und Zylinder und über den Regenerator wieder zum Kompressionsraum zurückströmt. Dies würde eine Unbalance des Regenerators bedeuten, was die gute Wirkung der Maschine stört.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn bei einer solchen Zweikolbenbauart mit einfachwirkendem Kolben der Ringraum über einen Kanal, in dem eine Regeneratormasse aufgenommen ist, mit dem zugehörigen Expansionsraum in Verbindung steht. Auf

temperatur wirksam sind. Bei einem Heißgasmotor 15 diese Weise wird wieder erreicht, daß der Druck im

sind die Abdichtungen somit nicht den im Expansionsraum herrschenden hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Für eine Kaltgaskühlmaschine hat dies unter anderem den Vorteil, daß an der Stelle der Abdichtungen das Mittel eine größere Viskosität und ao niedrige Dichte aufweist als das Mittel bei einer der Expansionstemperatur entsprechenden Temperatur. Hierdurch wird ein Weglecken des Mittels erschwert. Diese Erscheinung beruht auf der Tatsache, daß die Raum zwischen den Abdichtungen gleich dem Druck im Expansionsraum ist, wobei der Regenerator dafür sorgt, daß die Temperatur in diesem Raum nahezu der Umgebungstemperatur entspricht.

Enthält die Kolbenmaschine gemäß der Erfindung mehrere doppeltwirkende Kolben, die je in einem Zylinder bewegbar sind und mit einer Seite das Volumen eines Expansionsraumes und mit der anderen Seite das Volumen eines Kompressionsraumes ändern,

Viskosität eines Gases proportional der Temperatur as wobei ein in einem Zylinder liegender Expansionsraum über einen oder mehrere Regeneratoren mit einem in einem anderen Zylinder liegenden Kompressionsraum in Verbindung steht, so ergibt sich dadurch eine vorteilhafte Bauart dieser Maschinenaus-

Eine Kolbenmaschine der Zweikolbenbauart mit einfachwirkenden Kolben ist dann im Sinne der Erfindung in der Weise auszubilden, daß der Ringraum

über einen Kanal mit dem zugehörigen Kompres- 30 bildung, daß jeder Kolben und/oder die zugehörige

sionsraum in Verbindung steht. Auf diese Weise ist mit sehr einfachen Mitteln erreicht, daß der Druck im erwähnten Raum stets nahezu gleich dem Druck im Expansionsraum ist, während die Temperatur des Mittels in diesem Raum nahezu gleich der Kompressionstemperatur ist.

Wenn sich bei einer Kolbenmaschine der zuvor angegebenen Bauart in der Verbindung zwischen jedem Kompressionsraum und dem bzw. den mit diesem in Zylinderwand mit zwei Abdichtungen versehen ist, wobei der zwischen diesen zwei Abdichtungen liegende Ringraum mit einem Raum der Maschine in Verbindung steht, in dem nahezu der gleiche Druckverlauf wie in einem der Räume beiderseits des betreffenden Kolbens auftritt, während die Verbindung derartig ist, daß das im Ringraum befindliche Medium eine Temperatur aufweist, die nahezu der Temperatur entspricht, die im anderen der beiden beiderseits

Verbindung stehenden Expansionsraum bzw. -räu- 40 dieses Kolbens liegenden Räume herrscht.

men ein an den Kompressionsraum grenzender Kühler befindet, ergibt sich eine vorteilhafte Ausbildung dadurch, daß der Kanal mit seinem vom Ringraum abgekehrten Ende an der Stelle der vom betreffenden Hierbei kann der Ringraum bei jedem doppeltwirkenden Kolben entweder, gegebenenfalls über einen Kühler, mit dem Kompressionsraum oder mit dem Expansionsraum eines anderen Zylinders in Verbin-

Kompressionsraum abgewandten Seite des Kühlers in 45 dung stehen, wobei im ersteren Fall der Kompres-

die erwähnte Verbindung zwischen Kompressionsund Expansionsraum bzw. -räumen mündet. Dies hat den großen Vorteil, daß das Arbeitsmittel, das abwechselnd in den Kanal ein- und aus ihm heraussionsraum mit demjenigen Expansionsraum, im zweitgenannten Fall der Expansionsraum mit demjenigen Kompressionsraum in Verbindung steht, dessen Volumen vom betreffenden Kolben geändert wird. Ferner

strömt, gekühlt ist, bevor es in den Kanal eintritt, 50 kann in diesem Fall bei jedem Kolben der Ringraum

weil sonst das Mittel im Kanal zu warm werden würde. Im Kanal wird das Mittel nämlich abwechselnd komprimiert und expandiert. Infolge der Hysterese der Wärmeübertragung wird das Mittel immer über einen oder mehrere Regeneratoren mit einem der Räume beiderseits dieses Kolbens in Verbindung stehen. Bei all diesen Ausführungsformen von Kolbenmaschinen mit doppeltwirkenden Kolben wird ver

wärmer. Durch Kühlung des Mittels, bevor es in den 55 hütet, daß Mittel aus einem der Expansionsräume zu Kanal eintritt, wird der Erwärmung des Mittels ent- einem der Kompressionsräume oder umgekehrt leckt.

gegengewirkt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Kolbenmaschine gemäß der Erfindung enthält diese Maschine einen weiteren Kühler, der das Mittel, das sich wenigstens im an den Ringraum anschließenden Kanalteil und/oder in dem Ringraum selbst befindet, kühlt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Kolbenmaschine gemäß der Erfindung ist im Kanal ein bewegbares, den Kanal verschließendes Element angeordnet und sind Mittel vorgesehen, um einer Verschiebung des Elementes aus seiner mittleren Lage Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich um Kolbenmaschinen vom Zweikolbentyp und um Kolbenmaschinen mit doppeltwirkenden Kolben. Bei diesen Maschinen herrscht über den Kolben stets eine wechselnde Druckdifferenz, weil der Raum auf einer Seite der Kolben zum Arbeitsraum gehört und der Raum auf der anderen Seite durch die Umgebung oder das Kurbelgehäuse gebildet wird, oder aber weil die Räume beiderseits der Kolben zu verschiedenen Arbeitsräumen gehören.

Bei Maschinen vom Verdrängertyp, bei denen ein Kompressionskolben das Volumen eines Kompres-

sionsraumes ändert und ein Verdränger mit einer Seite das Volumen des Kompressionsraumes mit beeinflußt und mit der anderen Seite das Volumen eines oder mehrerer Expansionsräume ändert, tritt infolge des Strömungswiderstandes u. a. des Regenerators noch eine gewisse Druckdifferenz zwischen dem Kompressionsraum und dem bzw. den mit ihm in Verbindung stehenden Expansionsraum bzw. -räumen auf. Infolge der Druckdifferenz leckt ein Teil des Mittels längs des Verdrängers vom Expansionsraum zum Kompressionsraum oder umgekehrt, wobei Kälte bzw. Wärme transportiert wird. Um diesem Übel abjZuhelfen, ist gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung wenigstens der Verdränger und/oder die zugehörige Zylinderwand mit zwei Abdichtungen versehen, wobei der Ringraum mit einem der Räume beiderseits des Verdrängers in Verbindung steht und ,sich in dieser Verbindung wenigstens im Regenerator befindet. In diesem Fall weist das Mittel im Ringraum eine Temperatur auf, die nahezu gleich der ao Temperatur im anderen der beiden beidseitig des Verdrängers liegenden Räume ist. Auf diese Weise wird der Transport von Kälte bzw. Wärme vom Expansionsraum zum Kompressionsraum wieder verringert.

Falls der Verdränger aus mehreren Teilen mit verschiedenen Durchmessern aufgebaut ist, erweist es sich als vorteilhaft, wenn jeder Verdrängerteil und/ oder die zugehörige Zylinderwand mit zwei Abdichtungen versehen ist, wobei die zugehörigen Ringräume je über einen Regenerator mit einem der Räume in Verbindung stehen, die durch die beiden Abdichtungen voneinander getrennt werden.

An Hand der Zeichnung, in der schematisch mehrere Kolbenmaschinen dargestellt sind, wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

In den F i g. 1, 2 und 3 sind schematisch und nicht maßstabgerecht drei Ausführungsformen von KaItgaskühlmaschinen vom Zweikolbentyp dargestellt;

F i g. 4 zeigt eine Kaltgaskühlmaschine vom Zweikolbentyp, bei der die Zylinder, in denen sich die Kolben bewegen, in Form eines V angeordnet sind;

F i g. 5 zeigt eine Kaltgaskühlmaschine vom Zweikolbentyp, bei der die Kolben in zwei parallel zueinander angeordneten Zylindern bewegbar sind;

F i g. 6 zeigt schematisch eine Mehrstufenkaltgaskühlmaschine;

F i g. 7, 8 und 9 zeigen schematisch Beispiele von Mehrzylinderkaltgaskühlmaschinen;

Fig. 9 und 10 zeigen schematisch zwei Ausführungsformen von Kaltgaskühlmaschinen vom Verdrängertyp;

Fig. 11 zeigt schematisch eine Kaltgaskühlmaschine vom Verdrängertyp, die zwei Expansionsräume enthält.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Zylinder. In diesem Zylinder sind ein Kompressionskolben 2 und ein Expansionskolben mit einer Phasendifferenz bewegbar. Beim Bewegen ändert der Kompressionskolben 2 das Volumen eines wärmeren Kompressionsraumes 4, während der Expansionskolben 3 das Volumen eines sehr kalten Expansionsraumes S ändert. Der Kompressionsraum 4 und der Expansionsraum 5 stehen über einen Kühler 7, einen Regenerator 8 und einen Gefrierer 9 miteinander in Verbindung. Im Kühler 7 gibt das Arbeitsmittel seine Kompressionswärme an Kühlwasser oder an die Luft ab.

Die Abdichtung zwischen dem Zylinder 1 und dem Kompressionskolben 2 kann aus einer engen Schlitzabdichtung, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehreren Kolbenringen, bestehen. Infolgedessen tritt immer etwas Leckage auf. Weil das wegleckende Arbeitsmittel nahezu die Umgebungstemperatur aufweist, ist der Einfluß auf die Wirkung der Maschine sehr gering. Weglecken kalten Mittels längs des Expansionskolbens hat einen viel größeren Einfluß auf die gute Wirkung der Maschine. Um einer Leckage kalten Mittels aus dem Raum 5 längs des Expansionskolbens entgegenzuwirken, wird dieser Kolben mit zwei Kolbenabdichtungen 12 und 13 versehen, wobei sich zwischen diesen Abdichtungen ein Raum 11 befindet. Die Kanäle für das Arbeitsmittel im Kühler sind über einen Kanal 10 mit dem Raum 11 des Expansionskolbens 3 verbunden.

Im Raum 11 herrscht somit zu jedem Zeitpunkt nahezu der gleiche Druck wie im Expansionsraum 5, d. h. über der Abdichtung 13 herrscht keine Druckdifferenz, so daß kein Transport von Arbeitsmittel über diese Abdichtungen auftreten kann. Über die Abdichtung 12 dagegen kann etwas Mittel mit Umgebungstemperatur aus dem Raum 11 weglecken, aber dies hat verhältnismäßig wenig Einfluß auf den Wirkungsgrad der Maschine. Wenn an der vom Expansionsraum abgewandten Seite des Kolbens der mittlere im Arbeitsraum auftretende Druck herrscht, leckt in einer Hälfte einer Periode das Mittel aus dem Raum 11 heraus und in der anderen Hälfte der Periode in den Raum 11 hinein, so daß insgesamt auch über die Abdichtung 12 keine Leckage auftritt. Würde über der Abdichtung 12 eine Temperaturdifferenz herrschen, so könnte selbstverständlich ein Wärmetransport stattfinden. Obgleich das Mittel, das in den Kanal 10 eintritt, im Kühler 7 bereits gekühlt ist, kann durch das abwechselnde Komprimieren und Expandieren des Mittels im Kanal 10 eine gewisse Wärmemenge erzeugt werden. Um diese Wärme abzuleiten, kann der Kanal 10 in der Nähe der Vertiefung 11 mit einem Kühler 14 versehen sein.

Statt in den Kühler 7 kann der Kanal 10 am vom Raum 11 abgewandten Ende auch in den Kompressionsraum 4 münden. Diese alternative Ausführungsform ist in F i g. 1 gestrichelt angegeben.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Kaltgaskühlmaschine wie F i g. 1. Bei dieser Ausführungsform ist im Kanal

10 ein Kolben 15 angebracht, der ihn verschließt. Beiderseits des Kolbens sind weiche Federn 16 bzw. 17 angebracht, die die mittlere Lage des Kolbens bestimmen. Auf diese Weise wird stets der Druck des Kompressionsraumes auf den Raum 11 übertragen, aber das Arbeitsmittel kann keinen Kreislauf in der Maschine ausführen. Das heißt, das Mittel kann nicht aus dem Kompressionsraum 4 durch den Kanal 10 zum Raum 11 und von dort über die Abdichtung 13. durch den Regenerator zurück zum Kompressionsraum strömen. Die Möglichkeit einer Unbalance des Regenerators ist durch diese Bauart völlig beseitigt.

F i g. 3 zeigt wieder eine Kaltgaskühlmaschine wie die in Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform bildet der Kanal 10 eine Verbindung zwischen dem Expansionsraum 5 und der Vertiefung 11. Um das Mittel in der Vertiefung 11 nahezu auf Umgebungstemperatur zu halten, ist im Kanal 10 ein Regenerator 18 vorgesehen, der eine Temperatursperre zwischen dem kalten Expansionsraum und der wärmeren Vertiefung

11 bildet.

Um einen guten Wirkungsgrad dieser Maschine zu sichern, ist es erwünscht, daß auf der vom Expansionsraum abgekehrten Seite des Kolbens 3 der gleiche mittlere Druck wie im Expansionsraum herrscht. Wenn dies nicht der Fall ist, leckt stets das Mittel in der gleichen Richtung über die Abdichtung 12 weg. Um in diesem Fall dennoch einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, muß an einer Stelle des Kanals 10, die zwischen dem Regenerator 18 und dem Raum 11 liegt, Mittel nachgefüllt werden.

Fig. 4 zeigt eine Kaltgaskühlmaschine, bei der der Kompressionskolben 2 und der Expansionskolben 3 in zwei in Form eines V angeordneten Zylindern 21 bzw. 22 bewegbar sind. Der weitere Bau ist völlig

sind. Die Kolben 73 und 74 vermögen bei ihrer Bewegung das Volumen der Expansionsräume 75 bzw. 76 und das Volumen der Kompressionsräume 77 bzw. 78 zu ändern. Der Expansionsraum 75 steht über einen Gefrierer 79, einen Regenerator 80 und einen Kühler 81 mit dem Kompressionsraum 78 in Verbindung. Der Expansionsraum 76 steht gleichfalls über einen Gefrierer 82, einen Regenerator 83 und einen Kühler 84 mit einem Kompressionsraum in Verbindung. Im Falle einer Zweizylindermaschine ist der Kühler 84 an den Kompressionsraum 77 angeschlossen. Die weitere Bauart und Wirkungsweise einer solchen Maschine ist in der deutschen Patentschrift 849 326 beschrieben worden. Der Kolben 73 ist mit

gleich dem der in den vorstehenden Figuren darge- 15 zwei Kolbenabdichtungen 85 und 86, der Kolben 74 stellten Kaltgaskühlmaschinen. Auch bei dieser Ma- mit zwei Kolbenabdichtungen 87 und 88 versehen.

Zwischen den Abdichtungen befindet sich je ein nutförmiger Raum 89 bzw. 90. Der nutförmige Raum 89

g steht über einen Kanal 91 mit dem Kompressions

schine ist ein nutförmiger Raum 11 im Expansionskolben 3 über einen Kanal 10 mit den Arbeitsmittelkanälen im Kühler 7 verbunden. Auch hier kann
selbstverständlich im Kanal 10 ein Kolben oder ein 20 raum 78 in Verbindung. Dies bedeutet, daß im Raum Regenerator angebracht sein. 89 stets der gleiche Druck herrscht wie im Expan

sionsraum 75. Über der Abdichtung 85 herrscht somit keine Druckdifferenz, wohl aber eine Temperaturdifferenz. Aus dem Expansionsraum 75 kann so-

F i g. 5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer Kaltgaskühlmaschine. Bei dieser Ausführungsform sind der Expansionskolben 2 und der Expansionskolben 3 in zwei parallel zueinander ange- 25 mit kein kaltes Mittel zum wärmeren Kompressionsordneten Zylindern 41 bzw. 42 angebracht. Die wei- raum 77 weglecken. Über der Abdichtung 86 herrscht teren Bauelemente sind die gleichen wie bei den vor- zwar eine Druckdifferenz, aber keine Temperaturstehenden Figuren, und sie sind denn auch mit den differenz. Wenn etwas Mittel an dieser Abdichtung gleichen Bezugsziffem bezeichnet. Ein Vorteil dieser vorbei entweicht, stört dies die gute Wirkung der Bauart ist, daß die Entfernung zwischen dem Küh- 30 Maschine nicht, weil keine Kälte verlorengeht. Was ler 7 und dem Raum 8 besonders gering ist, so daß vom Kolben 73 gesagt wurde, gilt auch für den KoI-das Volumen des Kanals 10 ebenfalls minimal sein ben 74, dessen Nut 90 auch mit einem Kompreskann, wodurch nur sehr wenig schädlicher Raum sionsraum in Verbindung steht, vorhanden ist. In Fi g. 8 ist eine Mehrzylinderkaltgaskühlmaschine

Fig. 6 stellt schematisch eine Mehrstufenkaltgas- 35 dargestellt, die im großen und ganzen der in Fig. 7 kühlmaschine dar. Diese Maschine enthält einen in dargestellten Maschine entspricht. Der Unterschied einem Zylinder 51 bewegbaren Kompressionskolben 2 ist, daß die nutenförmigen Räume 89 und 90 hier und einen aus zwei Teilen 53 und 54 mit verschiede- nicht mit Kompressionsräumen, sondern mit Expannen Durchmessern aufgebauten Expansionskolben. sionsräumen in Verbindung stehen. Der Raum 90 Der Expansionskolben ist in einem Zylinder 52 be- 40 steht dabei durch einen Kanal 82 mit dem Expanwegbar. Der Kompressionsraum 4 steht über einen sionsraum 75 in Verbindung. Im Raum 90 herrschen Kühler 7 und einen ersten Regenerator 8' mit einem mithin etwa der gleiche Druck und etwa die gleiche ersten Expansionsraum 5' in Verbindung, der seiner- Temperatur wie im Expansionsraum 75. Dies bedeuseits über einen zweiten Regenerator 8" und einen tet, daß über der Abdichtung 88 keine Druckdiffe-Gefrierer 9 mit einem zweiten Expansionsraum 5" in 45 renz herrscht, so daß kein kaltes Mittel aus dem oder Verbindung steht. Die Kanäle für das Arbeitsmittel zum Kompressionsraum 78 leckt. Über der Abdichim Kühler 7 stehen durch eine Bohrung 60 mit dem
Raum 11 in Verbindung. Bei dieser Bauart ist der
Verbindungskanal zwischen dem Kühler 7 und dem
Raum 11 äußerst kurz, so daß diese Verbindung 50
wenig schädliches Volumen verursacht und in ihr
auch kaum Wärme erzeugt, so daß ein Kühler 14
entfallen kann.

Wie aus vorstehendem hervorgeht, schafft die Erfindung eine äußerst einfache und gut wirkende Bau- 55 gleich dem Druck im Raum 104 ist, während der art für eine Zweikolbenkaltgaskühlmaschine. Regenerator dafür sorgt, daß das über die Abdich-

Obgleich im vorstehenden nur von zwei Kolbenkaltgaskühlmaschinen die Rede war, ist die Erfindung auf genau gleiche Weise auch für zwei Kolbenheißgasmotoren anwendbar. Der einzige Unterschied dabei ist, daß im Expansionsraum eine höhere Tem-

tung 87 herrscht zwar eine Druckdifferenz, aber keine Temperaturdifferenz, so daß bei Leckage keine Kälte verlorengeht.

F i g. 9 zeigt einen Zylinder einer Mehrzylinderkaltgaskühlmaschine, bei dem der nutförmige Raum 100 über einen Regenerator 101 mit dem Expansionsraum 104 in Verbindung steht. Auf diese Weise ist wieder erreicht, daß der Druck im Raum 100

peratur herrscht, so daß die Abdichtungen und der zwischenliegende Raum nicht zum Beschränken der Kälteleckverluste, sondern zum Verhindern von Wärmeleckverlusten dienen.

Fi g. 7 zeigt eine Mehrzylinderkaltgaskühlmaschine mit doppeltwirkenden Kolben. Sie enthält Zylinder und 72, in denen Kolben 73 und 74 bewegbar

tung 105 von einem zum anderen Raum leckende Mittel die betreffenden Räume stets mit nahezu der gleichen Temperatur verläßt bzw. in sie eintritt.

Auch in den F i g. 7 bis 9 war einfachheitshalber die Rede von Kaltgaskühlmaschinen. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Bauarten sich auch besonders gut zur Verwendung als Heißgasmotor eignen.

F i g. 10 zeigt schematisch eine Kaltgaskühlmaschine vom Verdrängertyp. Diese Maschine enthält einen Kompressionskolben 110 und einen Verdränger 111. Der Kompressionskolben und die Unterseite des Verdrängers können das Volumen eines Kompressions-

raumes 112 beeinflussen, während der Verdränger mit der Oberseite das Volumen eines Expansionsraumes 113 zu ändern vermag. Die Kompressions- und Expansionsräume stehen über einen Kühler 114, einen Regenerator 115 und einen Gefrierer 116 miteinander in Verbindung. Obgleich die Kompressions- und Expansionsräume in offener Verbindung miteinander stehen, kann dennoch eine gewisse Druckdifferenz zwischen ihnen auftreten. Dies findet seine Ursache im Widerstand, den das Arbeitsmittel beim Hin- und Herströmen durch den Kühler, den Regenerator und den Gefrierer erfährt. Infolge dieser Druckdifferenz besteht die Möglichkeit, daß Mittel duch den Spalt zwischen dem Verdränger und der Zylinderwand vom Expansionsraum zum Kompressionsraum leckt oder umgekehrt. Um zu verhüten, daß durch dieses leckende Mittel Wärme bzw. Kälte übertragen wird, ist der Verdränger mit zwei Abdichtungen 117 und 118 versehen. Der zwischen diesen Abdichtungen liegende Raum 119 steht über einen Regenerator 120 so mit niedrigem Strömungswiderstand mit dem Expansionsraum 113 in Verbindung. Hierdurch wird erreicht, daß im Raum 119 die gleiche Temperatur herrscht wie im Kompressionsraum 112, während der Druck im Raum 119 nahezu gleich dem Druck im «5 Expansionsraum 113 ist oder wenigstens über der Abdichtung 117 eine geringere Druckdifferenz als über der Abdichtung 118 herrscht.

Fig. 11 zeigt eine Kaltgaskühlmaschine vom Verdrängertyp, die zwei Expansionsräume enthält. Dei Kompressionsraum 112 steht dabei über einen Kühler 114, einen ersten Regenerator 115' und einen ersten Gefrierer 116' mit einem Zwischenexpansionsraum 122 in Verbindung. Der Zwischenexpansionsraum 122 steht über einen zweiten Regenerator 115" und einen zweiten Gefrierer 116" mit dem Expansionsraum 113 in Verbindung. Der Verdränger besteht dabei aus zwei Teilen 123 und 123' mit verschiedenen Durchmessern. Der Teil 123 ist mit zwei Kolbenabdichtungen 124 und 125 versehen, und dei zwischen diesen Abdichtungen liegende Raum 126 steht über einen Regenerator 127 mit niedrigem Strömungswiderstand mit dem Zwischenexpansionsraum 122 in Verbindung. Auf ähnliche Weise steht der Raum 128, der zwischen den Abdichtungen 129 und 130 auf dem zweiten Verdrängerteil 123' liegt, über den Regenerator 131 ebenfalls mit dem Zwischenexpansionsraum 122 in Verbindung. Auf diese Weise ist erreicht, daß in den Aussparungen 128 und 126 nahezu die gleichen Drücke herrschen wie im Zwischenexpansionsraum 122.

Weiter sorgen die Regeneratoren 131 und 127 dafür, daß in der Aussparung 128 die gleiche Temperatur wie im Expansionsraum 113 und in der Aussparung 126 die gleiche Temperatur wie im Kompressionsraum 112 auftritt. Durch diese Maßnahme ist ein Transport von Kälte oder Wärme durch die Spalte zwischen dem Verdränger und der Zylinderwand nahezu unmöglich gemacht.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Nach dem Stirlingprinzip arbeitende Kolbenmaschine, insbesondere Kaltgaskühlmaschine, mit mindestens einem Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen und mindestens einem Expansionsraum mit ebenfalls veränderlichem Volumen, welche Räume im Betrieb unterschiedliche mittlere Temperaturen aufweisen und paarweise miteinander über jeweils einen oder mehrere Regeneratoren in Verbindung stehen, und deren beider Volumen durch in Phasendifferenz zueinander bewegbare, je mit mindestens einer Abdichtung versehene kolbenförmige Körper veränderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die auf das Volumen eines Expansionsraumes (5) einwirkenden kolbenförmigen Körper (3) und/oder der mit jedem dieser Körper zusammenwirkende Teil der Zylinderwand mit zwei Abdichtungen (12,13) versehen sind und der zwischen diesen Abdichtungen befindliche Ringraum (11) mit einem Raum ständig in Verbindung steht, in dem ein Druck herrscht, der eine kleinere Druckdifferenz mit Bezug auf den Druck im, Raum (5) auf einer Seite des betreffenden kolbenförmigen Körpers (3) als mit Bezug auf den Druck im Raum auf der anderen Seite des kolbenförmigen Körpers aufweist, und daß das zwischen den beiden Abdichtungen befindliche Mittel im Betrieb eine Temperatur hat, die wenigstens nahezu gleich der Temperatur in demjenigen Raum ist, in dem der Druck herrscht, der die größere Differenz gegenüber dem Druck im Ringraum (11) aufweist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungen auf einem der aus einem kolbenförmigen Körper und der mit ihm zusammenarbeitenden Zylinderwand bestehenden Elemente angebracht sind, während die Verbindung mit dem Ringraum (11) im anderen Element liegt, wobei sich die einander zugewandten Enden der beiden Abdichtungen in einem Abstand voneinander befinden, der mindestens gleich dem Hub des betreffenden kolbenförmigen Körpers ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abdichtungen auf einem Teil des betreffenden kolbenförmigen Körpers angebracht sind, in dem in axialer Richtung nahezu kein Temperaturgradient mehr vorhanden ist.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3 der Zweikolbenbauart mit einfachwirkenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (11) über einen Kanal (10) mit dem zugehörigen Kompressionsraum in Verbindung steht.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, bei der sich in der Verbindung zwischen jedem Kompressionsraum und dem bzw. den mit diesem in Verbindung stehenden Expansionsraum bzw. -räumen ein an den Kompressionsraum grenzender Kühler befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (10) mit seinem vom Ringraum (11) abgekehrten Ende an der Stelle der vom betreffenden Kompressionsraum abgewandten Seite des Kühlers in die erwähnte Verbindung zwischen Kompressions- und Expansionsraum bzw. -räumen mündet.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine einen weiteren Kühler (14) enthält, der das Medium, das sich wenigstens im an den Ringraum angeschlossenen Kanalteil und'oder in dem Ringraum selbst befindet, kühlt.

7. Kolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal (10) ein bewegbares den

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Kanal verschließendes Element angeordnet ist und daß Mittel (16,17) vorgesehen sind, um einer Verschiebung des Elementes aus seiner mittleren Lage entgegenzuwirken.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3 der Zweikolbenbauart mit einfach wirkenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (11) über einen Kanal (10), in dem eine Regeneratormasse (18) aufgenommen ist, mit dem zugehörigen Expansionsraum (5) in Verbindung steht.

9. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, die mehrere doppeltwirkende Kolben enthält, die je in einem Zylinder bewegbar sind und mit einer Seite das Volumen eines Expansionsraumes und mit der anderen Seite das Volumen eines Kompressionsraumes ändern, wobei ein im einen Zylinder liegender Expansionsraum über einen oder mehrere Regeneratoren mit einem in einem anderen Zylinder liegenden Kompressionsraum in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben und/oder die zugehörige Zylinderwand mit zwei Abdichtungen (85,86; 87, 88) versehen ist, wobei der zwischen diesen zwei Abdichtungen liegende Ringraum (89,90) mit einem Raum der Maschine in Verbindung steht, in dem nahezu der gleiche Druckverlauf wie in einem der Räume beiderseits des betreffenden Kolbens auftritt, während die Verbindung derartig ist, daß das im Ringraum befindliche Medium eine Temperatur aufweist, die nahezu der Temperatur entspricht, die im anderen der beiden beiderseits dieses Kolbens liegenden Räume herrscht.

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (89) bei jedem doppeltwirkenden Kolben (73), gegebenenfalls über einen Kühler (81), mit dem Kompressionsraum (78) eines anderen Zylinders in Verbindung steht, wobei dieser Kompressionsraum (78) mit dem Expansionsraum (75) in Verbindung steht, dessen Volumen vom betreffenden Kolben (73) geändert wird.

11. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (90) bei jedem doppeltwirkenden Kolben (74) mit dem Expansionsraum (75) eines anderen Zylinders in Verbindung steht, Wobei dieser Expansionsraum (75) mit dem Kompressionsraum (78) in Verbindung steht, dessen Volumen vom betreffenden Kolben geändert wird.

12. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Kolben der Ringraum (100) über einen oder mehrere Regeneratoren (101) mit einem (104) der Räume beiderseits dieses Kolbens (105) in Verbindung steht.

13. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, die als eine Maschine vom Verdrängertyp ausgebildet ist, wobei ein Kompressionskolben das Volumen eines Kompressionsraumes ändert und ein Verdränger mit einer Seite das Volumen des Kompressionsraumes mit beeinflußt und mit der anderen Seite das Volumen eines oder mehrer Expansionsräume ändert, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Verdränger (111) und/oder die zugehörige Zylinderwand mit zwei Abdichtungen (117, 118) versehen ist und der Ringraum (119) mit einem (113) der Räume beiderseits des Verdrängers in Verbindung steht, wobei sich in dieser Verbindung wenigstens ein Regenerator (120) befindet.

14. Kolbenmaschine nach Anspruch 13, bei der der Verdränger aus mehreren Teilen mit verschiedenen Durchmessern aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verdrängerteil (123, 123') und/oder die zugehörige Zylinderwand mit zwei Abdichtungen (124,125,129,130) versehen ist, wobei die zugehörigen Ringräume (126, 128) je über einen Regenerator (127, 131) ' mit einem der Räume (122) in Verbindung stehen, die durch die beiden Abdichtungen voneinander getrennt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 849 326.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

M9 800/43 9.« β Bundetdruckerel Berlin